◆吳純新 符曉波

黑洞，宇宙中最神秘的天體之一，它的起源和形成講述著宇宙的過去和未來。近日，來自意大利國際高等研究院等機構(gòu)的科學家在《天體物理學雜志》上撰文稱，他們首次計算出恒星級質(zhì)量黑洞在整個宇宙中的數(shù)量及分布情況。據(jù)估計，宇宙中恒星級質(zhì)量黑洞的數(shù)量達到了4000億億個。

圖1 LB-1藝術(shù)想象圖 （圖/新華社 喻京川 繪）

天文學家迫切希望摸清黑洞“家底”

通過黑洞誕生的幾率、恒星質(zhì)量、星系的金屬豐度等多個指標，研究人員綜合評估得出了恒星級質(zhì)量黑洞的數(shù)據(jù)。

恒星級質(zhì)量黑洞是大質(zhì)量恒星演化到終結(jié)的產(chǎn)物，它的數(shù)量中隱含著恒星、雙星形成和演化以及星系形成和演化的信息。研究這些黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布，對于理解星系和宇宙的結(jié)構(gòu)及演化具有重要意義，因此，宇宙中究竟有多少個黑洞也是現(xiàn)代天體物理學和宇宙學領域最希望解決的問題之一。

一般而言，通過質(zhì)量可將黑洞劃分為恒星級質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞三類?，F(xiàn)有理論認為，恒星級質(zhì)量黑洞即5～150倍太陽質(zhì)量的黑洞由恒星走向生命終點后坍塌而成，這些黑洞互相之間也常發(fā)生并合事件，合并后的黑洞質(zhì)量更大。但科學家仍不明確，那些超大質(zhì)量黑洞是如何發(fā)展而來的。

圖2 黑洞的偏振圖像 新華社發(fā)（圖/中國科學院上海天文臺供）

科學研究表明，很多星系中心都“隱藏”著百萬到百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，而它們與星系之間有著緊密聯(lián)系，其中幾千到百萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞被認為是形成宇宙“巨型怪獸”的“重種子”，而恒星級質(zhì)量黑洞則是形成宇宙“巨型怪獸”的“輕種子”。因此，探測出兩類“種子”的數(shù)量及分布是研究超大質(zhì)量黑洞形成的理論基礎。

那么，宇宙中是否存在幾千到百萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞呢？

目前只有一些觀測上的初步證據(jù)，實際中等質(zhì)量黑洞是否存在尚不清楚。但是，對于解釋一些出現(xiàn)在早期宇宙（宇宙誕生后8億年內(nèi)）中超過10億倍太陽質(zhì)量的黑洞來說，中等質(zhì)量黑洞的存在具有決定性意義。未來空間引力波探測或許能給出答案，告訴我們到底有沒有中等質(zhì)量黑洞，以及有多少中等質(zhì)量黑洞。

隨著望遠鏡探測能力的不斷提升，人類對宇宙的探測越來越深入，與黑洞相關(guān)的很多現(xiàn)象都發(fā)生在宇宙學尺度，科學家觀測這些現(xiàn)象所獲得的天體性質(zhì)也是在宇宙尺度上的，估算跨越宇宙演化歷程的黑洞分布和數(shù)量對解釋超大質(zhì)量黑洞具有決定性作用，對天體物理研究是非常有意義的。

黑洞如何計數(shù)

黑洞引力非常大，無論是物質(zhì)還是輻射，甚至光都難以從黑洞內(nèi)部逃脫，也正因為如此，人類無法直接看到它們。雖然無法直接觀測黑洞，但可借由一些間接方式得知黑洞的存在與質(zhì)量。例如，借由物體被黑洞吸入前因黑洞引力帶來的加速度而導致的摩擦放出的射線信息，可以推測出黑洞的存在，也可借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行軌跡來獲取黑洞的位置以及質(zhì)量。

要估計宇宙中究竟存在多少個恒星級質(zhì)量黑洞，關(guān)鍵要弄清恒星級質(zhì)量黑洞在宇宙演化過程中的分布情況，這在天文學中被稱為黑洞的質(zhì)量函數(shù)。事實上，還可以使用雙星演化數(shù)據(jù)、其他不同的理論模型，或基于引力波探測的結(jié)果來估計恒星級質(zhì)量黑洞的分布，進而得到宇宙中黑洞的數(shù)量。

該研究團隊在此次研究中利用自己開發(fā)的恒星和雙星演化代碼結(jié)合宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)的統(tǒng)計，得到了恒星級質(zhì)量黑洞在整個宇宙演化歷程中的質(zhì)量分布。因此，人們便可估算出目前整個可觀測宇宙中恒星級黑洞的總數(shù)量。

具體而言，首先需要基于已有的觀測知識給出宇宙演化歷程中星系的性質(zhì)，其中包括會對恒星和雙星演化產(chǎn)生顯著影響的恒星形成率、恒星質(zhì)量分布和金屬豐度分布等物理量。其次，利用代碼來追蹤這些恒星或雙星的演化過程。

只有那些大質(zhì)量的恒星才能在其生命盡頭發(fā)生超新星爆發(fā)并坍縮為黑洞，對于雙星系統(tǒng)，其伴星可能在演化中已經(jīng)被拋射出去或被摧毀，演化為孤立黑洞，也有可能形成雙黑洞系統(tǒng)，并輻射引力波。這項計算還考慮了雙黑洞系統(tǒng)由于輻射引力波而最終并合形成更大質(zhì)量的黑洞，從而導致黑洞的質(zhì)量分布變化的情況。

基于黑洞質(zhì)量分布的估計，雖然宇宙中黑洞的數(shù)量大得驚人，但其總質(zhì)量仍只占宇宙中普通物質(zhì)的1%左右。其中，超大質(zhì)量黑洞占比更少。通常一個星系只有一個超大質(zhì)量黑洞，這表明大部分的普通物質(zhì)仍存在于星云中，這里是恒星誕生的地方。這些普通物質(zhì)將繼續(xù)驅(qū)動恒星誕生和演化，并影響星系的結(jié)構(gòu)和演化。

知曉總數(shù)科學意義重大

了解宇宙中恒星級質(zhì)量黑洞的總數(shù)可幫助人類進一步理解，宇宙“巨型怪獸”是如何從“輕種子”黑洞成長起來的，進而讓人們對恒星演化、星系演化等基本天體物理過程有更深刻的認識，對雙黑洞系統(tǒng)的形成渠道有更清楚的分辨，對雙星演化涉及的物理過程有更好的理解。

恒星級質(zhì)量黑洞是明亮X射線源、超新星爆發(fā)、短時標伽馬射線暴和千新星等高能天體物理現(xiàn)象的中心天體，了解黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布會加深我們對這些天體現(xiàn)象及其物理本質(zhì)的理解，對這些劇烈爆發(fā)事件的發(fā)生做出預判。而這些高能現(xiàn)象也是生產(chǎn)宇宙中重元素的“工廠”，對人類進一步理解生命的起源也至關(guān)重要。

此外，雙黑洞系統(tǒng)是重要的低頻和高頻引力波源，是“天琴”“太極”等空間引力波探測器和地面引力波探測器的目標源，對黑洞分布的進一步了解將幫助人類在更高精度研究黑洞物理、限制宇宙學參數(shù)，以及檢驗引力理論。

研究團隊將恒星和雙星演化模型與宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)結(jié)合，這種研究思路受到相關(guān)學界普遍認可，其測算結(jié)果也與地面引力波探測器估計的結(jié)果基本吻合。但也有研究人員指出，研究中用到了很多簡化和假設，例如只考慮了孤立恒星和雙星演化形成黑洞的途徑，而形成黑洞的其他渠道，例如星團、活動星系核吸積盤等并未被考慮在內(nèi)，這些渠道對較大質(zhì)量的恒星級質(zhì)量黑洞的形成也很重要。未來，或許將有更多關(guān)于黑洞的研究揭示出更多黑洞的秘密。